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[汽车新技术] 先进的模拟仿真技术

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新浪微博达人勋

发表于 1-5-2015 09:54:43 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  捷豹路虎的车辆工程总监Mark Stanton先生一步步地揭示了模拟仿真技术的快速发展,并且介绍了模拟仿真技术是如何给更加深入的分析提供可能性的。
  整车动力
  对车辆动力学的仿真计算是一件令人头疼的事,它不仅带给工程师很大的工作量,也对电脑的计算能力提出了很高的要求。由于每个单一的部件都能产生多个自由度的运动,因此要完全模拟整车长时间的动态运动,其庞大的计算量将是对电脑的巨大考验。如今,捷豹路虎采用SIMPACK软件生成多体系统动力学模型并输入车辆模拟器(见图1),从而进行对新车进行整体性的设计验证。在全新路虎揽胜车型中,自适应阻尼系统就是采用模拟仿真技术调校的,新款车自适应阻尼系统与上一代车型相比有了明显改善。
  

  图1  捷豹路虎建立了驾驶模拟器,用于在车辆开发过程中对设计结果进行先期验证
  捷豹路虎车辆工程总监Mark Stanton先生解释到:“我们针对车辆的乘坐舒适性设计开展了长期工作,将悬挂系统控制软件的开发与模拟系统相结合为我们带来了新的工作方式。我们正在尝试将更多的调校工作通过模拟软件完成,这意味着我们花在对实体样车进行调校的时间将明显缩减,对实体样车的调校更倾向于在车辆投入批量生产之前的微调。”
  耐久性
  目前,捷豹路虎的每一款新车都要达到大约9000项指标。在每一款车获得上市批准之前,为了检验这些指标,捷豹路虎的开发团队需要执行大约3万项仿真和实车评估工作。“模拟仿真技术对我们来说是一个重要环节。” Mark Stanton先生说道,“汽车新技术的研发和使用极大地增加了各系统的复杂性,我们需要加快决策的速度,同时需要更具稳定性的设计。通过模拟软件,我们可以提前了解设计中存在的缺陷,并提出解决方法;利用模拟仿真进行设计验证还能避免外界干扰,使模拟效果更真实、精确。”
  同时,捷豹路虎开发的计算机辅助设计方法使其能够预测发动机舱在瞬态极限输出工况下的热学特性。Mark Stanton先生说道:“这项测试的传统方法是把车开到斯堪的纳维亚半岛,在户外停留一整夜,然后第二天清晨开始工作后率先做这项试验。如今,这项测试已经可以在虚拟世界中进行了,仿真模拟应用的出现为我们免去了很多麻烦。虚拟测试的效率比将实体样车放在斯堪的纳维亚做实车测试高了很多,从而缩减了成本,而且更加环保、可重复性强。”
  

  图2  车辆的外部车身设计可以通过CAE优化,从而减少汽车玻璃上沾染的泥浆和碎屑
  表面污染预测
  在捷豹路虎,模拟仿真技术的应用范围不仅局限于传统测试项目。他们还利用该技术模拟其越野车上沾染的污渍,展示泥浆和碎屑在车身和车窗上的分布情况与污渍形状(见图2)。
  “我们可以对车辆在路面上行驶时,车身侧面和尾部的污渍积聚情况进行模拟和预测。” Mark Stanton先生解释道,“我们很愿意利用计算机软件做这些模拟,原因有三点:第一,开发团队可以在车辆设计定型之前就完成这些测试;第二,实车测试有许多限制条件,我们不可能控制天气状况,而且驾驶员的因素也对实车测试的结果有很大影响;第三,如果利用实车做重复性测试,几乎不可能保持每次测试的环境一致性。”
  “即便开发人员可以做到控制被测车辆在同一条道路上以完全相同的速度行驶,甚至恰好有幸遇到完全相同的环境条件,但是前一次试验扬起的灰尘颗粒不可能落回原来的位置,因此在实车测试中不可能得到完全一致的试验结果。” Mark Stanton先生补充说道,“但在模拟软件中,开发人员能够精确控制所有被考虑到的外界因素,因而模拟测试更易于管理,也更具有可重复性。”
  进一步提升品质
  Mark Stanton先生说道:“捷豹路虎生产豪华汽车,我们努力的重要方向之一是让这些车变得更安静。当汽车用户进入路虎揽胜或捷豹XJ的车舱,便会立即感到车辆对外部噪声的隔绝能力非常优秀。但是把车辆的隔音效果做到一定程度之后,开发人员发现那些之前从来没有被视为主要噪声源的部位发出的声音变得明显起来。气流流过前窗刮水器形成的噪声便是其中之一。如果未对前窗刮水器的摇臂和骨架进行正确的设计,其所形成的噪声将会变得很明显,让驾乘人员心烦意乱。通过模拟软件,我们可以从X、Y两个方向观察前窗刮水器周围的气流情况(见图3),从而改进其形状以扰动周围的气流,从而避免恼人的噪声。”
  

  图3  CFD用来优化设计流过前窗刮水器和外部后视镜的气流,以保证车舱的静谧性
  在上述设计优化过程中,CFD软件被广泛应用以保证前窗刮水器和外部后视镜在人耳听觉最敏感的频带产生的噪声最小。采用降噪的外形设计带来的最大好处就是可以减少隔音封釉的厚度,同时可以对密封件采取优化设计,即既能减轻整车质量又能削减成本。
  动力总成
  人们经常称赞计算机辅助设计在整车层面的开发上提供了诸多益处,现在这些好处也降临到了零部件层面。Mark Stanton先生解释道:“在新一代四缸发动机的开发工作中,我们借鉴了一些在汽车车身上使用的技术。例如,在发动机设计层面上,我们使用CFD仿真分析冷却液的流动情况,同时对燃油喷嘴和雾化效果进行模拟和优化(见图4)。”
  这些技术也已被应用于气缸盖的设计验证,并且通过CCM仿真,使发动机的水套设计得以改进。类似的技术也被应用于该发动机润滑系统和进气系统的开发。
  

  \图4  捷豹路虎正在开发下一代四缸发动机,他们开发了湍流、燃油喷射、油气混合和燃烧的三维/一维耦合模型
  虚拟实现
  捷豹路虎正在走入一个被称为“虚拟现实”的全新领域。“当我还是一个CAE数据分析员时,我的工作是接过电脑打印的一摞摞数据,然后花费几周的时间弄懂这些数据究竟会引发什么样的结果。很多时候因为一些细小的数据测算失误,导致整个设计方案无法达到最初预想的效果。” Mark Stanton先生说道,“尽管取得了长足进步,但是有关数据分析的问题仍然困扰着我们。很多时候,我们做实车试验时会大失所望,因为前期CAE的结果并没有告诉我们此项设计存在着某些风险。尽管这不是CAE功能层面上的问题,但确实给我们的开发带来了很多麻烦。”
  他还表示:“我们现在正在开发‘虚拟现实’系统,把CAE分析的结果更多地带回实际,便于我们发现潜在的问题。我们建立了一套6自由度的驾驶模拟器,使我们可以亲身感受到设计数据转化成实车后的动态表现。我们让一名工程师操作驾驶模拟器,使用IPG CarMaker车辆模型和MathWorks Simulink软件,然后将整车的控制系统整合到模拟器中,因此工程师就可以使用虚拟数据寻找、隔离和解决实车测试中可能遇到的问题。”
  这项技术已经成功应用于5种车型的研发,为捷豹路虎节省了大约75万英镑(约117万美元)的成本,以及相关的人力、物力和时间成本。
  

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  • TA的每日心情
    无聊
    14-6-2018 13:17
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    [LV.1]初来乍到

    新浪微博达人勋

    发表于 6-5-2015 16:19:50 | 显示全部楼层
    好的汽车设计就是需要配套的高端模拟仿真技术。
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  • TA的每日心情
    难过
    6-7-2015 09:38
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    [LV.2]偶尔看看I

    新浪微博达人勋

    发表于 4-6-2015 10:45:59 | 显示全部楼层
    simulation is a key part for design
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  • TA的每日心情
    开心
    27-10-2015 17:56
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    [LV.6]常住居民II

    新浪微博达人勋

    发表于 4-7-2015 14:11:23 | 显示全部楼层
    这就是CAE的魅力,,,,,
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  • TA的每日心情
    郁闷
    13-4-2017 16:07
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    [LV.4]偶尔看看III

    新浪微博达人勋

    发表于 2-1-2018 09:15:10 | 显示全部楼层
    自己认为还有一段路要走。
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    该用户从未签到

    新浪微博达人勋

    发表于 29-3-2018 16:26:10 | 显示全部楼层
    投入太大成本也太高啊
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  • TA的每日心情
    开心
    2-4-2018 09:00
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    [LV.2]偶尔看看I

    新浪微博达人勋

    发表于 19-4-2018 22:21:27 | 显示全部楼层
    前期投入的多 研究的充分 后期试验矫正的成本大大降低
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  • TA的每日心情
    郁闷
    10-5-2018 15:18
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    [LV.4]偶尔看看III

    新浪微博达人勋

    发表于 14-5-2018 13:17:39 | 显示全部楼层
    投入的那么多,技术也就跟着成熟了许多
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